Mengapa kapasitas baterai litium berkurang di musim dingin? Akhirnya ada yang bisa menjelaskan!

Mengapa kapasitas baterai litium berkurang di musim dingin? Akhirnya ada yang bisa menjelaskan!

Sejak memasuki pasar, baterai lithium-ion telah banyak digunakan karena kelebihannya seperti umur yang panjang, kapasitas spesifik yang besar, dan tidak ada efek memori. Baterai ion litium yang digunakan pada suhu rendah memiliki masalah seperti kapasitas rendah, redaman parah, performa siklus yang buruk, evolusi litium yang jelas, serta pelepasan dan penyisipan litium yang tidak seimbang. Namun, dengan perluasan bidang aplikasi yang terus-menerus, kendala yang disebabkan oleh buruknya kinerja baterai lithium-ion pada suhu rendah menjadi semakin jelas.

Menurut laporan, kapasitas pengosongan baterai lithium-ion pada -20 ℃ hanya sekitar 31,5% dari kapasitas pengosongan pada suhu kamar. Baterai lithium-ion tradisional beroperasi pada suhu antara -20~+55 ℃. Namun, di bidang seperti kendaraan luar angkasa, militer, dan listrik, baterai harus beroperasi secara normal pada suhu -40 ℃. Oleh karena itu, meningkatkan sifat suhu rendah baterai lithium-ion sangatlah penting.

Faktor-faktor yang membatasi kinerja baterai lithium-ion pada suhu rendah

• Di lingkungan bersuhu rendah, viskositas elektrolit meningkat dan bahkan membeku sebagian, menyebabkan penurunan konduktivitas baterai lithium-ion.
• Kompatibilitas antara elektrolit, elektroda negatif, dan pemisah memburuk di lingkungan bersuhu rendah.
• Dalam kondisi suhu rendah, elektroda negatif baterai litium-ion mengalami pengendapan litium yang parah, dan litium logam yang diendapkan bereaksi dengan elektrolit, menghasilkan pengendapan produk yang meningkatkan ketebalan antarmuka elektrolit padat (SEI).
• Di lingkungan bersuhu rendah, sistem difusi di dalam bahan aktif baterai lithium-ion menurun, dan impedansi transfer muatan (Rct) meningkat secara signifikan.

Diskusi tentang faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja baterai lithium-ion pada suhu rendah

Sudut pandang ahli 1: Elektrolit memiliki dampak terbesar pada kinerja baterai litium-ion pada suhu rendah, dan komposisi serta sifat fisikokimia elektrolit memiliki dampak signifikan pada kinerja baterai pada suhu rendah. Masalah yang dihadapi oleh siklus baterai pada suhu rendah adalah viskositas elektrolit akan meningkat, kecepatan konduksi ion akan melambat, menyebabkan ketidaksesuaian kecepatan migrasi elektron pada rangkaian eksternal, yang mengakibatkan polarisasi parah pada baterai dan baterai. penurunan tajam dalam kapasitas pelepasan muatan. Terutama saat mengisi daya pada suhu rendah, ion litium dapat dengan mudah membentuk dendrit litium pada permukaan elektroda negatif, sehingga menyebabkan kegagalan baterai.

Kinerja elektrolit pada suhu rendah berkaitan erat dengan konduktivitas elektrolit itu sendiri. Elektrolit dengan konduktivitas tinggi mengangkut ion dengan cepat dan dapat mengerahkan kapasitas lebih besar pada suhu rendah. Semakin banyak garam litium dalam elektrolit yang terdisosiasi, semakin banyak garam tersebut bermigrasi dan semakin tinggi konduktivitasnya. Semakin tinggi konduktivitas dan semakin cepat laju konduksi ion, semakin kecil polarisasinya, dan semakin baik kinerja baterai pada suhu rendah. Oleh karena itu, konduktivitas yang tinggi merupakan kondisi yang diperlukan untuk mencapai kinerja baterai lithium-ion yang baik pada suhu rendah.

Konduktivitas elektrolit berkaitan dengan komposisinya, dan mengurangi viskositas pelarut merupakan salah satu cara untuk meningkatkan konduktivitas elektrolit. Kemampuan mengalir pelarut yang baik pada suhu rendah merupakan jaminan transpor ion, dan lapisan elektrolit padat yang dibentuk oleh elektrolit pada elektroda negatif pada suhu rendah juga merupakan faktor kunci yang mempengaruhi konduksi ion litium, dan RSEI adalah impedansi utama litium- baterai ion di lingkungan bersuhu rendah.

Pakar 2: Faktor utama yang membatasi kinerja baterai lithium-ion pada suhu rendah adalah impedansi difusi Li+ yang meningkat pesat pada suhu rendah, bukan pada membran SEI.

Karakteristik suhu rendah dari bahan elektroda positif untuk baterai lithium-ion

1. Karakteristik suhu rendah dari bahan elektroda positif berlapis

Struktur berlapis, dengan kinerja laju yang tak tertandingi dibandingkan saluran difusi lithium-ion satu dimensi dan stabilitas struktural saluran tiga dimensi, adalah bahan katoda paling awal yang tersedia secara komersial untuk baterai lithium-ion. Zat perwakilannya meliputi LiCoO2, Li (Co1-xNix) O2, dan Li (Ni, Co, Mn) O2.
Xie Xiaohua dkk. menguji karakteristik pengisian dan pengosongan suhu rendah LiCoO2/MCMB sebagai objek penelitian.
Hasilnya menunjukkan bahwa seiring dengan penurunan suhu, dataran debit berkurang dari 3,762V (0 ℃) menjadi 3,207V (-30 ℃); Total kapasitas baterai juga menurun tajam dari 78,98mA · jam (0 ℃) menjadi 68,55mA · jam (-30 ℃).

2. Karakteristik suhu rendah bahan elektroda positif struktur spinel

Bahan katoda LiMn2O4 berstruktur spinel memiliki keunggulan biaya rendah dan tidak beracun karena tidak adanya unsur Co.
Namun, keadaan valensi variabel Mn dan efek Jahn Teller dari Mn3+ mengakibatkan ketidakstabilan struktural dan reversibilitas yang buruk dari komponen ini.
Peng Zhengshun dkk. menunjukkan bahwa metode preparasi yang berbeda berdampak besar pada kinerja elektrokimia bahan katoda LiMn2O4. Ambil Rct sebagai contoh: Rct LiMn2O4 yang disintesis dengan metode fase padat suhu tinggi secara signifikan lebih tinggi daripada yang disintesis dengan metode sol gel, dan fenomena ini juga tercermin dalam koefisien difusi ion litium. Alasan utamanya adalah metode sintesis yang berbeda mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap kristalinitas dan morfologi produk.

3. Karakteristik suhu rendah bahan elektroda positif sistem fosfat

LiFePO4, bersama dengan bahan terner, telah menjadi bahan katoda utama untuk baterai listrik karena stabilitas volume dan keamanannya yang sangat baik. Kinerja suhu rendah yang buruk dari litium besi fosfat terutama karena bahannya sendiri merupakan isolator, dengan konduktivitas elektronik yang rendah, difusi ion litium yang buruk, dan konduktivitas yang buruk pada suhu rendah, yang meningkatkan resistansi internal baterai, sangat mempengaruhi polarisasi, dan menghambat pengisian dan pengosongan baterai. Oleh karena itu, kinerja suhu rendah tidak ideal.
Gu Yijie dkk. menemukan bahwa efisiensi Coulomb LiFePO4 masing-masing menurun dari 100% pada 55 ℃ menjadi 96% pada 0 ℃ dan 64% pada -20 ℃, ketika mempelajari perilaku pelepasan muatannya pada suhu rendah; Tegangan pelepasan berkurang dari 3,11V pada 55 ℃ menjadi 2,62V pada -20 ℃.
Xing dkk. menggunakan karbon nano untuk memodifikasi LiFePO4 dan menemukan bahwa penambahan zat konduktif karbon nano mengurangi sensitivitas kinerja elektrokimia LiFePO4 terhadap suhu dan meningkatkan kinerja suhu rendahnya; Tegangan pelepasan LiFePO4 yang dimodifikasi menurun dari 3,40V pada 25℃ menjadi 3,09V pada -25℃, dengan penurunan hanya 9,12%; Dan efisiensi baterainya adalah 57,3% pada -25 ℃, lebih tinggi dari 53,4% tanpa bahan penghantar nano karbon.
Baru-baru ini, LiMnPO4 telah membangkitkan minat yang kuat di kalangan masyarakat. Penelitian menemukan bahwa LiMnPO4 memiliki keunggulan seperti potensi tinggi (4.1V), tidak menimbulkan polusi, harga murah, dan kapasitas spesifik besar (170mAh/g). Namun, karena LiMnPO4 memiliki konduktivitas ionik yang lebih rendah dibandingkan LiFePO4, dalam praktiknya sering digunakan untuk menggantikan sebagian Mn dengan Fe untuk membentuk larutan padat LiMn0.8Fe0.2PO4.

Karakteristik suhu rendah dari bahan elektroda negatif untuk baterai lithium-ion

Dibandingkan dengan bahan elektroda positif, kerusakan bahan elektroda negatif pada suhu rendah pada baterai lithium-ion lebih parah, terutama karena tiga alasan berikut:

• Selama suhu rendah dan kecepatan pengisian dan pengosongan yang tinggi, polarisasi baterai menjadi parah, dan sejumlah besar endapan logam litium pada permukaan elektroda negatif, dan produk reaksi antara logam litium dan elektrolit umumnya tidak memiliki konduktivitas;
• Dari perspektif termodinamika, elektrolit mengandung sejumlah besar gugus polar seperti C-O dan C-N, yang dapat bereaksi dengan bahan elektroda negatif, menghasilkan film SEI yang lebih rentan terhadap suhu rendah;
• Sulit untuk menanamkan litium dalam elektroda karbon negatif pada suhu rendah, sehingga mengakibatkan pengisian dan pengosongan yang asimetris.

Penelitian Elektrolit Suhu Rendah

Elektrolit berperan dalam mentransmisikan Li+ dalam baterai litium-ion, dan konduktivitas ion serta kinerja pembentukan film SEI memiliki pengaruh yang signifikan terhadap kinerja baterai pada suhu rendah. Ada tiga indikator utama untuk menilai kualitas elektrolit suhu rendah: konduktivitas ion, jendela elektrokimia, dan aktivitas reaksi elektroda. Kadar ketiga indikator ini sangat bergantung pada bahan penyusunnya: pelarut, elektrolit (garam litium), dan zat aditif. Oleh karena itu, studi tentang kinerja suhu rendah dari berbagai bagian elektrolit sangat penting untuk memahami dan meningkatkan kinerja baterai pada suhu rendah.

• Dibandingkan dengan karbonat rantai, elektrolit berbasis EC memiliki struktur kompak, gaya tinggi, serta titik leleh dan viskositas tinggi. Namun, polaritas besar yang disebabkan oleh struktur melingkar sering kali menyebabkan konstanta dielektrik yang besar. Konstanta dielektrik yang tinggi, konduktivitas ionik yang tinggi, dan kinerja pembentukan film yang sangat baik dari pelarut EC secara efektif mencegah penyisipan bersama molekul pelarut, menjadikannya sangat diperlukan. Oleh karena itu, sistem elektrolit suhu rendah yang paling umum digunakan didasarkan pada EC dan dicampur dengan pelarut molekul kecil dengan titik leleh rendah.
• 
  
• Garam litium adalah komponen penting elektrolit. Garam litium dalam elektrolit tidak hanya dapat meningkatkan konduktivitas ionik larutan, tetapi juga mengurangi jarak difusi Li+ dalam larutan. Secara umum, semakin tinggi konsentrasi Li+ dalam suatu larutan, semakin besar konduktivitas ioniknya. Namun konsentrasi ion litium dalam elektrolit tidak berkorelasi linier dengan konsentrasi garam litium, melainkan berbentuk parabola. Hal ini karena konsentrasi ion litium dalam pelarut bergantung pada kekuatan disosiasi dan asosiasi garam litium dalam pelarut.

Selain komposisi baterai itu sendiri, faktor proses dalam pengoperasian praktis juga dapat berdampak signifikan terhadap kinerja baterai.

(1) Proses persiapan. Yaqub dkk. mempelajari pengaruh beban elektroda dan ketebalan lapisan pada kinerja suhu rendah baterai LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2/Grafit dan menemukan bahwa dalam hal retensi kapasitas, semakin kecil beban elektroda, semakin tipis lapisan lapisan, dan semakin baik kinerja suhu rendahnya.

(2) Status pengisian dan pengosongan. Petzl dkk. mempelajari pengaruh kondisi pengisian dan pengosongan suhu rendah pada siklus hidup baterai dan menemukan bahwa ketika kedalaman pengosongan besar, hal itu akan menyebabkan hilangnya kapasitas yang signifikan dan mengurangi masa pakai baterai.

(3) Faktor lain. Luas permukaan, ukuran pori, kepadatan elektroda, keterbasahan antara elektroda dan elektrolit, dan pemisah elektroda semuanya mempengaruhi kinerja suhu rendah baterai lithium-ion. Selain itu, dampak cacat bahan dan proses terhadap kinerja baterai pada suhu rendah tidak dapat diabaikan.

Meringkaskan

Untuk memastikan kinerja baterai lithium-ion pada suhu rendah, hal berikut perlu dilakukan:

(1) Membentuk film SEI yang tipis dan padat;

(2) Pastikan Li+ memiliki koefisien difusi yang besar dalam zat aktif;

(3) Elektrolit memiliki konduktivitas ionik yang tinggi pada suhu rendah.

Selain itu, penelitian juga dapat mengeksplorasi jalan baru dan fokus pada jenis baterai litium-ion lain – semuanya baterai litium-ion solid-state. Dibandingkan dengan baterai lithium-ion konvensional, semua baterai lithium-ion solid-state, terutama semua baterai lithium-ion film tipis solid-state, diharapkan dapat sepenuhnya mengatasi masalah penurunan kapasitas dan keamanan siklus baterai yang digunakan pada suhu rendah.